表面活性剂在甲烷氧化菌降解煤体甲烷中的适用性研究*

刘 源，张瑞林

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191)

0 引言

由于表面活性剂具有良好的物理、化学和生物活性等特性，使其广泛应用在科研、化工和人们日常生活中。研究发现，煤矿最早应用表面活性剂开始于煤层注水领域[1]，其目的主要是为了加快煤层注水过程中煤层的润湿速度和润湿程度，其原理是将表面活性剂加入水中可以显著降低水在煤体表面的张力，增大煤体润湿程度。2004年，聂百胜等[2]探究了表面活性剂影响煤表面自由能的因素和煤吸附水的微观机理，并证明了添加表面活性剂能够提高溶液对煤体的润湿；2005年，李珂等[3]通过添加表面活性剂对作业液的毛细管力的影响的试验,证明了表面活性剂可以有效降低作业液的毛细管力，提高气相渗透率；2012年，孙成坤等[[4]于纯水中加入表面活性剂，很好地改善了水对煤体表面的渗透润湿作用，同时降低了煤与瓦斯突出风险；2016年，LI等[5]探讨了经原煤和地层水浸泡后煤样的瓦斯吸附特性，得出了压裂液浸泡后的煤样的瓦斯吸附能力明显低于原煤。由于单一表面活性剂明显比复配表面活性剂的作用效果低，所以，近年来许多学者开始研究表面活性剂的复配。2001年，吴超等[6]通过向表面活性剂中加入Na2SO4，其润湿作用要远远好于单一表面活性剂，且润湿成本明显下降；同年，邹利宏等[7]研究发现复配表面活性剂能够明显地降低溶液的表面张力以及临界胶束浓度、增加煤体表面吸附能力，其效果比单一的表面活性剂更加显著；2007年，SZYMCZY等[8]通过对表面活性剂复配的机理进行研究，得到2种或2种以上的不同种类的表面活性剂复配时，可以产生相互协同作用；2010年，马晓宇[9]通过实验得到2种以上的复配表面剂的性能要优于单一表面活性剂；2011年，胡夫等[10]通过表面活性剂SRJ-1，SRJ-3进行复配,实验得到了复配后润湿剂性能明显优于单一润湿剂；2012年，李明妍等[11]通过实验得出向复配表活剂溶液中加入碱性溶液，会增加复配表活剂对作用液的作用效果；同年，ZHANG[12]研究了阳离子和非离子复配表面活性剂在膨润土上的吸附的影响，结果表明添加复配表面活性剂的总吸附量在单一表面活性剂的基础上仍有较大幅度的增加；2013年，张琳等[13]探究了表面活性剂复配后对气体水合物生成液表面张力的作用机制，得到了复配表面活性剂的最佳复配比，并对曲线进行拟合，相关系数超过0.94；2014年，谢玉银[14]研究表明低质量浓度的3种表面活性剂的复配驱油体系的驱油效果要明显优于高质量浓度的单一表面活性剂溶液；2017年，张丽颖[15]通过在水中加入不同的表面活性剂复配成的润湿剂的实验，得出复配表面活性剂的加入可提高煤层的降尘效率；2018年，耿文琳等[16]通过红外光谱和 Zeta 电位值实验，证明了复配表面活剂体系相较于对应的单一表面活性剂对褐煤的疏水改性效果协同作用更佳。

根据甲烷氧化菌本身所具有的特性，选择适合的表面活性剂。通过菌液表面张力实验和配伍性实验测试了表面活性剂在甲烷氧化菌菌液降解煤层瓦斯的实用性，为进一步提高甲烷氧化菌降解煤层瓦斯降解效能提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 样品的采集

采集义马杨村矿新鲜煤样，煤样的工业分析结果见表1。实验所用菌种的富集源来自于新郑市十七里河底泥，取泥样10 g在液体培养基反复转接3次，然后采用平板划线法分离出单菌落。培养基参考闵航在培养能够降解甲烷的微生物时使用的无机盐培养基[17]。

表1 煤样的工业分析Table 1 Industrial analysis of coal samples

1.2 试验设备

主要实验设备见表2

表2 实验设备Table 2 Experimental equipments

2 实验过程

2.1 表面活性剂与菌种的配伍性

表面活性剂即表活剂是一种能显著降低溶液表面张力的有机物，添加到甲烷氧化菌培养过程中的表面活性剂必须具备2个特征：要与甲烷氧化菌共存，避免使微生物失活；能够有效地减少水锁伤害，降低菌液表面张力。通过实验探究微生物菌液是否会分解表面活性剂？表面活性剂是否会抑制甲烷氧化菌的生长以及表面活性剂是否会显著降低菌液表面张力？为注含复配表面活性的甲烷氧化菌菌液降解煤层瓦斯，提供实验数据支撑和相关参数指导。

表面活性剂种类很多，有阴离子型、非离子型和阳离子型，由于阳离子型表活剂能与煤发生作用，使其自身失去活性，所以阳离子型表活剂不适于甲烷氧化菌降解煤层瓦斯。综合经济、实用、成本等因素，本实验选用阴离子型、非离子型两类2种表面活性剂复配作为甲烷氧化菌的添加剂，选取表面活性剂种类见表3。

表3 表面活性剂的种类Table 3 Types of surfactants

2.2 毛管压力实验

1)菌液：取培养至第5 d菌液20 mL。

2)表面活性剂：选取阴离子表面活性剂(SDBS)与非离子表面活性剂(CDEA)复配，设置4个质量浓度(0.1%,0.3%,0.5%,0.7%)，每个浓度值设置7个复配体积比例(SDBS∶CDEA为1∶0,1∶1,1∶2,1∶4,4∶1,2∶1,0∶1)，复配形成28种表面活性剂溶液，用医用一次性针管分别抽取复配表活剂20 mL并注入甲烷氧化菌培养瓶中，标记放入恒温摇床中温度30 ℃,转速120 r/min，培养至第7 d时，测菌液OD600值。实验结果如图1、图2所示。

3)对照实验：空白对照组加入20 mL培养基，其他条件不变。

图1 添加不同复配比例表活剂菌液OD600变化曲线Fig.1 Changecurvesof OD600 forbacteria solution adding surfactantwith different compounding proportions

图2 添加不同复配比例表活剂菌液表面张力变化曲线Fig.2 Changecurvesof surfacetensionf or bacteriasolution addingsurfactant withdifferent compounding proportions

由图1和图2可知，在甲烷氧化菌培养过程中加入不同质量浓度和不同复配比例表活剂，不仅不会抑制甲烷氧化菌的生长，相反还有一定的促进作用。一段时间范围内，甲烷氧化菌并不会分解表活剂，使其失去作用。分析其原因：表活剂虽是一种有机物，但短时间内不会被甲烷氧化菌分解利用。从图1可以看出表活剂(SDBS与CDEA)复配比例浓度越高，甲烷氧化菌OD600也相应增大，成正相关关系，说明复配表活剂浓度越高，越有利于甲烷氧化菌生长。从图2可以得到，添加表活剂的菌液表面张力显著降低，但随表活剂复配比例浓度的增大，菌液表面张力并不是一直减小，减小到一定程度会出现突变点即拐点，此时表活剂SDBS∶CDEA复配比例为1∶4，质量浓度为0.5%，菌液表面张力由原来78.6 mN/m降到最低27.6 mN/m，随后当表活剂复配比例浓度继续增加时菌液表面张力开始缓慢增加。

终上所述，表活剂(SDBS∶CDEA)复配比例为1∶4,质量浓度为0.5%时，菌液与表活剂适配效果最佳，将以这一复配比例和浓度开展后续注菌液实体煤赋存环境下甲烷氧化降解实验。

2.3 表面活性剂在菌液中稳定性实验

表活剂分子活性并不是一直稳定不变的，随着时间的推移，表活剂分子会失去原有活性，从而失去作用，在甲烷氧化菌的生长周期内，表活剂都必须具有活性，所以需要复配表活剂稳定性较好。因此复配表活剂在菌液中的稳定性显得尤为重要，具体实验步骤为：

1)菌液：选取培养至第5d的甲烷氧化菌菌液20 mL。

2)表面活性剂：SDBS∶CDEA复配比例为1∶4,质量浓度为0.5%。

3)样品分装：实验共设4组，为减小误差，实验组设3个平行样，测3组数据，求其平均值。分别用医用一次性针管抽取20 mL复配表活剂，注入甲烷氧化菌培养瓶中，放入恒温摇床中，温度设为30 ℃,转速为120 r/min，每隔3 d，用医用一次性针管抽取菌液1次，测菌液表面张力值，当连续2次张力值变化幅度在±0.02 mN/m时，停止测试。对照组加入20 mL培养基，试验方法同实验组。实验结果如图3所示。

图3 复配表活剂稳定性曲线Fig.3 Stabilitycurvesof compounding surfactant

由图3可知，添加复配表面活性剂菌液的表面张力在第4 d左右降到最低值27.7 mN/m，在第10 d左右开始显著回升，分析回升原因有2个：一是随着时间的延长，部分表面活性剂分子开始逐渐失去活性；二是部分表面活剂分子开始被甲烷氧化菌降解；在第28～31 d菌液表面张力值连续2次变化幅度小于0.02 mN/m，说明表活剂已经对菌液失去作用。甲烷氧化菌的生长周期为14 d左右，复配表活剂对菌液作用周期大约30 d，其中有16 d天左右可以显著降低菌液表面张力，表明复配表活剂在菌液中稳定性良好，二者可以混合使用，应用前景较好。

2.4 含复配表活剂菌液降解实体煤瓦斯影响实验

2.4.1实验系统

实验系统整体结构如图4所示，该系统主要由煤样吸附解吸系统、实验参数控制系统、恒温系统、气体混合系统以及气体成分分析系统构成。

图4 实验装置Fig.4 Experimentaldevic

2.4.2 实验过程

1)将实验煤样放置在干燥箱中干燥，干燥温度设定60 ℃，从干燥箱中取出目标煤样备用。

2)连接好管路并对管路进行气密性检查。

3)将各实验煤样称取40 g分别放入1，2，3号煤样罐，使煤样自然堆积装满，同时用医用一次性医用针管抽取20 mL含复配表面活性剂的菌液分层均匀喷洒在各煤样上，然后在罐内煤样上铺上一层脱脂棉并放1个0.1 mm孔径的铜网，防止脱气过程中煤颗粒吸入管内。

4)打开真空泵对管路抽真空，真空脱气时间设置为20 min，真空脱气结束后充入混合气体，混合气体压力为2 MPa，其中氧气浓度为1%，在恒温水浴30 ℃条件下进行等温吸附实验，待吸附平衡后，对煤样进行甲烷降解实验。

5)降解实验结束后，用真空泵抽取吸附罐内气体，使其进入瓦斯解析仪并读取体积，用气象色谱仪分析气体成分和含量。

6)空白对照组加入同试验组相同体积的含甲烷氧化菌的培养基，其他条件不变，试验过程同实验组。实验结果如图5所示。

图5 不同时间条件下甲烷降解率Fig.5 Degradation rate of methane under different time conditions

2.4.3 甲烷氧化菌降解甲烷降解率计算

甲烷氧化菌降解颗粒煤吸附甲烷的降解体积为充入吸附罐内体积以及煤体中残留甲烷体积之和，再减去甲烷氧化菌降解煤中甲烷结束后从解吸罐抽出的甲烷体积和煤粒粉碎高温脱气后得到的甲烷体积。甲烷降解率公式[18]

(1)

从图5中可知，添加复配表活剂菌液的甲烷降解率总体趋势是先快速增大后缓慢增加，而未添加复配表活剂的菌液则是缓慢增加，并且添加复配表活剂菌液的甲烷最终降解率为51.65%，比未添加复配表活剂菌液高出11%左右。究其原因，一方面，加入复配表活剂的菌液相对于纯菌液而言，具有更低的表面张力，可以有效地减少水锁伤害的发生，从而使菌液可以更好地在煤层中运移；另一方面复配表活剂溶液的加入能与煤体中甲烷气体产生竞争吸附，又会进一步增加煤中瓦斯的解吸。因此，在菌液中加入复配表活剂可以进一步提高甲烷氧化菌的降解效能，复配表面活性剂在菌液中适用性较好。

3 结论

1)通过对表面活性剂的复配优选，获得对菌液表面张力有显著改变的复配表活剂，其最佳配伍比SDBS∶

CDEA为1∶4，最佳配伍浓度为0.5%。

2)进行复配表活剂在菌液中稳定性实验，得到复配表活剂对菌液作用周期为30 d，显著有效作用周期为16 d，与菌种的生长周期相适应，且不会抑制菌种活性，二者适配性良好。

3)模拟实体煤赋存环境下含复配表活剂的菌液降解效能实验可以得到：添加复配表活剂的菌液降解效能高于未添加复配表活剂菌液的降解效能，其原理是：复配表活剂不仅可以改变菌液表面张力，增加菌液的渗透力，而且还可以润湿煤体，减少水锁伤害的发生，从而使菌液更好地在煤体中扩散；复配表活剂溶液一定程度上能与煤体甲烷产生竞争吸附，促进煤体瓦斯解吸，进一步提高菌液的降解效能。